基于SWAT的鲇鱼山水库流域氮磷面源污染时空变化研究

史冲, 王浩宇, 王慧亮, 琚艺萌

(1.河南省有色金属地质矿产局 第一地质大队,河南 郑州 450016; 2.郑州大学 水利与土木工程学院,河南 郑州 450001; 3.中国海洋大学 环境科学与工程学院,山东 青岛 266100)

随着生态治理工程的不断推进,各类污染治理指标体系构建不断完善,集中性点源污染已经得到较好的整治[1]。近年来,生态环境逐渐改善,水域污染的研究更多转向农村生活、畜禽水产养殖和农林生产带来的面源污染,乡村养殖和工业的崛起促进了地方经济的发展,也加剧了水环境的恶化[2]。在环境良好的上游河段,由于集中性点源污染负荷较轻,面源污染对水质和环境的影响便更为突出[3]。

淮河流域湖库水体是我国主要饮用水源之一,该流域氮磷污染呈现逐年上升趋势,且随着河道汇流过程下游污染负荷显著高于上游[4],因此了解湖库面源污染时空分布情况对改善水质具有重要意义。湖库面源污染负荷受到上游沿岸土地利用、农业养殖和城乡居民生活等因素的影响[5]。

现阶段,湖库面源污染识别方法主要分为两类:一类是基于各理论提出的数学计算和评价方法,结合实际监测数据进行分析识别,例如内梅罗污染指数法、水质指标指数法等[6];另一类是基于大数据分析和计算机模拟,引入各类参数进行水文模型的构建和修正,从而实现有一定精度的面源污染识别[7],常用的模型有SWAT(Soil and Water Assessment Tool)、SWMM(Storm Water Management Model)和TOP MODEL(Topography based Hydrological Model)。由于SWAT具有良好的精度,该模型在国内外被广泛运用于大中型流域内的面源污染负荷的识别与评估[8-9]。MALIK W等[10]利用SWAT校准和验证了西班牙Violada流域的改良土壤和水评估工具;CHANG D等[11]根据养分负荷和养分负荷强度确定了流域内的关键源区,并在此基础上进一步挖掘了污染的主要原因;ZHANG M等[12]基于SWAT和不同情景,通过对洛阳市非点源污染进行仿真和估算,揭示了该区域氮素污染源的来源和空间分布,为进一步推进非点源污染治理提供了决策依据;CHEN J S等[13]利用SWAT对流域进行模拟,以水文和水质为目标,分析了新疆维吾尔自治区阿什河流域内水文过程及总氮、总磷的时空变化。

但是,关于SWAT在小流域内的适用性和精度研究却较少。本研究以淮河上游鲇鱼山水库中小流域为例,首先利用SWAT研究该流域面源污染物负荷的年内时空变化规律,分析上游丘陵平原交汇地区面源污染物负荷特点;其次,结合信阳市水文水资源勘测局提供的实际径流和水质监测资料进行氮、磷类污染物负荷量估算,并将模型输出结果与估算成果进行对比,进而验证SWAT在含有大型水库的小流域内是否具有良好的模拟精度。

1 研究区概况

鲇鱼山水库位于淮河一级支流史灌河西侧的二级支流灌河上,在河南省信阳市境内商城县西南约5 km处,坝址位于东经115°22′、北纬31°44′。鲇鱼山水库多年平均径流量5.94亿m3,控制流域面积924 km2。鲇鱼山水库上游有12条支流,流域内河流由南向北汇集,且土质条件多为砂土和壤土。

鲇鱼山水库上游共覆盖5个乡镇,从上游到下游依次为:长竹园乡、达权店镇、汪岗镇、吴河镇、鲇鱼山乡。截至2018年底,鲇鱼山水库控制流域内有常住人口84 234人;耕地5 624 hm2,耕地占流域面积的6.1%,耕地多集中在人口聚居区和水库附近;人工林地及自然林地26 905 hm2,占流域面积的29.1%,林地多集中在上游丘陵地区[14]。除此之外,流域内还有相当规模的畜禽养殖和水产养殖。由于流域内设有黄柏山国家森林公园,林业资源丰富,所以流域内生态环境较好。2020年初,我国生态环境部发布的水环境质量公报显示淮河上游流域出口断面水质保持在Ⅰ类水质。多次面源污染调查结果显示,该地区的面源污染主要来自养殖和城乡生活。但是随着养殖、果园和旅游资源的开发,该区域的面源污染有加重的风险[15]。

2 数据与方法

本文主要根据现有数据,构建小流域内SWAT水文水质模型,识别面源污染负荷的空间分布和时间迁移规律。结合信阳市统计年鉴进行面源污染负荷估算,再根据信阳市水文水资源勘测局提供的鲇鱼山水文站径流和污染物监测数据,进而验证SWAT在建有水库的小流域内的可靠性。研究技术路线如图1所示。

图1 技术路线

2.1 数据来源

1)根据地理空间数据云提供的ASTERGDEM 30 m分辨率数字高程数据(数据标识为ASTGTM_N31E115),利用ArcGIS中的流域提取工具和倾泻点捕捉工具,提取水库出口断面以上流域,如图2(a)与图2(b)所示。

图2 鲇鱼山水库上游流域数据提取

2)土地利用数据来自于地理空间数据云提供的Landsat8 OLI_TIRS卫星数字产品中2021年3月24日的遥感影像(LC81220382021083LGN00),使用ArcGIS软件对遥感影像进行裁剪、波段合成和影像拼接等操作,如图2(c)与图2(d)所示,并结合对象分类和人工目视解译的方法进行土地利用类型的划分和提取。根据实际需要,可参考表1变换RGB三色波段组成,通过光谱提取和分析,配合优化算法,将土地利用类型分为居民区、森林、水体、农村生活/耕地区域、浅滩/溪流和山脉6类,如图2(e)所示。由遥感光谱提取得到的鲇鱼山水库流域土地利用重分类的类型及其面积占比见表2。

表1 各波段RGB组合与成像用途关系表

表2 土地利用重分类

3)图2(f)中的鲇鱼山水库流域土壤数据来源于SWAT网站提供的全球土壤数据库,经过流域矢量边界提取后得出本次研究所需的10种土壤类型。鉴于美国土壤数据标准与我国的有差异,故需要经过SPAW土壤特性计算软件变换后将土壤颗粒特性重新输入SWAT数据库。

4)气象数据来自开源CFSR_World气象数据,该组数据具有观测系列长、全球布设站点多等特点,具有良好的可靠性。

2.2 研究方法

2.2.1 面源污染模拟方法

利用前文准备的基础数据,在ArcGIS的SWAT模块中导入高程图,完成河网和子流域的划分。导入土壤数据和天气发生器,设置坡度为0%～10%和10%～99%两个部分,保存数据并导入计算模块中。设置模拟起始日期为2018年1月1日,终止日期为2018年12月31日,模拟365 d,时间步长为月。完成计算后,导出Sub、Rch、Hru模块的计算结果,并分别导出逐月模拟结果。将模拟数据输入到SWAT-CUP 2012软件中进行参数率定,选取2018年1—12月为率定期;出口断面的实测径流资料为率定来源资料。

2.2.2 实测面源污染物负荷估算方法

根据信阳水文水资源勘测局提供的2018年鲇鱼山水库逐月出库径流量和水质监测数据,结合污染分割法,认为产生面源污染的原动力是降雨,提出3点假设:①没有产生地表径流,则无面源污染进入水体;②枯水季节以点源污染为主,汛期同时有面源污染和点源污染;③点源污染长时间保持稳定。因此,面源污染负荷可以视为汛期污染负荷减去非汛期污染负荷[3]。由此得到总氮(TN)、总磷(TP)的实测面源污染负荷,并据此验证模型结果的合理性。

鲇鱼山水库的总磷(TP)污染物采样点共有4个,如图3所示,分别是东岸汪岗镇官贩村彭湾组、上游灌河达权店镇何畈大桥入库断面、西岸吴河乡吴河村以及鲇鱼山水库水文站。总氮(TN)污染物监测有鲇鱼山水库水文站1个采样点。鲇鱼山水库作为一个庞大的生态系统,对水体中氮、磷有机物具有一定的净化作用,3个入库断面的污染物浓度均明显大于出库断面的污染物浓度。由于水文站设在出库断面,水文站径流资料会受到水库调度的影响,因此采用总量估算的方法,根据逐月出库径流量、库水量和蒸发量计算入库水量,再结合入库污染物的平均浓度得到逐月TP负荷。

图3 鲇鱼山水库水质采样点分布图

由于缺少达权店、彭湾组、吴河组入库断面的TN浓度,需要结合静水污染物分解能力进行总量估算。孙远军等[16]提出各类水污染物的综合降解系数k,计算公式为:

(1)

式中:t为降解时间,d;C0为初始污染物浓度,mg/L;C为经历时长t的自然降解后的污染物浓度,mg/L。一般在静水中TN的综合降解系数k取0.002 1～0.034 0,其取值随季节变化而变化。一般月降解日期为30 d,上述公式可以变换为C0与C的比值,即降解比率,其计算式为:

(2)

氮类污染物的降解比率C0/C取值范围为1.065～2.770,磷类污染物的降解系数为1.39～4.48,其值大小与温度成正比。插值估算各月的降解比率,即可计算降解后的TN总量和TN补充量。

3 结果分析

本研究结果由两部分构成:一是基于SWAT的面源污染物模拟成果;二是基于实际监测数据通过面源污染物分割法估算的2018年面源污染物入河总量。

3.1 面源污染模拟结果分析

3.1.1 面源污染负荷逐月变化规律

受流域内大(Ⅰ)型水库的影响,水位非自然抬升,根据DEM高程数据划分来的水系出口断面与实际坝址出口断面会存在误差,因此SWAT在划分流域时产生了不同的出口断面。但水体在汇集到出口断面前已流入水库,基于水量平衡原理,出流量可视作与入库水量一致。

根据气象发生器中CFSR_World提供的开源数据,2018年鲇鱼山水库流域平均流量偏低,流量峰值集中在5月的春夏之交和8月的盛夏时节。SWAT对2018年逐月氮、磷负荷变化情况的模拟如图4所示。对出口断面氮、磷面源污染负荷进行累加,得氮类面源污染负荷为201.76 t/年,磷类面源污染物负荷为30.38 t/年。

图4 SWAT对鲇鱼山水库流域2018年逐月氮、磷负荷变化模拟情况

从时间尺度分析,流域氮、磷冲刷入水负荷最大峰值主要发生在夏季,说明降雨径流冲刷对氮、磷负荷起主导作用,降雨量和氮、磷面源污染物负荷呈正相关,且氮、磷负荷变化趋势保持高度一致,氮负荷量约是磷负荷量的5倍。2—4月、11月等平枯水月的负荷量也出现极大值,这说明除了径流以外,农业活动也是面源污染物负荷的重要来源。鲇鱼山水库流域地处淮河以南,属于亚热带季风和季风湿润性气候,农业模式为一年两熟或三熟,农耕主要集中在2—4月的春耕、6—7月的夏种和11—12月的冬播,这3次播种时间与面源污染负荷峰值保持对应。这从侧面体现出鲇鱼山水库流域城镇污水处理设施缺乏,农业面源污染严重。为降低氮、磷污染负荷,应逐渐控制流域内耕地的化肥农药施用量。

3.1.2 面源污染空间分布规律

从空间尺度上看,如图5和图6所示,氮类和磷类面源污染物负荷的分布情况具有良好的一致性,且氮类面源污染负荷量是磷类负荷量的5倍左右,与上节研究结果保持一致。研究流域面源污染空间分布大致可分为3种类型:①沿岸城镇和水产主导面源污染负荷;②水库沿线农业主导污染负荷;③上游农林主导污染负荷。

图5 鲇鱼山水库流域2018年各月氮类污染物空间负荷和入水负荷分布情况

图6 鲇鱼山水库流域2018年各月磷类污染物空间负荷和入水负荷分布情况

城镇主导情况主要集中在冬季和初春,因为农林业生产活动受气候抑制,此时沿岸水产和城乡生活污染负荷便占据主要贡献。枯水期来流量降低,水产污染负荷上升,城镇居民生活污染负荷以达权店镇和吴河乡为主,两者人口密度较大且靠近干流和水库,入水负荷较重。

水库沿线农业主导污染负荷的情况主要集中在夏季和秋季,气候适宜农业和水产养殖,化肥和农药在耕地和人工林地中施用,在夏季雨水的冲刷下进入水体,加剧了面源污染负荷。该情形的特点是污染负荷集中在流域西侧沿岸的耕地和林地中,东侧的自然林地和大别山北麓的污染负荷较少。

上游农林主导污染的情形出现在8月和10月,其特点是上游长竹园乡农林业污染负荷大于下游沿岸区域,推测原因为林业采集、农业收获,尤其是上游大量分布的茶园果园的采摘活动使得面源污染负荷增加。

3.2 监测数据估算成果

3.2.1 水质监测结果分析

根据鲇鱼山水库水文站提供的2018年径流与污染物浓度监测数据,运用库存水量、蒸发量和出库水量来反推各月入库水量,经计算可得逐月氮、磷污染物入库负荷量(TN和TP的推算过程分别见表3和表4)。再根据点源污染割除方法,使用汛期实测污染物负荷减去非汛期实测污染物负荷后,得到的氮类面源污染物负荷为133.67 t/年,磷类面源污染物负荷为28.26 t/年(图7)。

图7 鲇鱼山水库流域2018年污染物负荷估算量

表3 2018年鲇鱼山水库流域TN负荷估算表 t

表4 2018年鲇鱼山水库流域TP负荷估算表

3.2.2 污染物来源分析

参考《2019年信阳统计年鉴》[17],分析鲇鱼山水库流域的人口、农业、畜牧业和农林业资料,通过查找《农业技术经济手册》[18]与《家畜粪尿排放量和肥分的研究进展》[19],估算农业和畜牧业面源污染负荷,通过水产养殖业污染源产排污系数[20]估算水产养殖面源污染负荷,估算得到各居民生活和产业在面源污染中的贡献率,如图8所示。

图8 2018年鲇鱼山水库流域面源污染负荷贡献率

由图8可知,鲇鱼山水库流域氮、磷面源污染物的贡献率从大到小依次为:畜禽养殖、水产养殖、城乡生活和农林种植。其中城乡生活和农林种植的面源污染贡献率较为稳定,而总氮和总磷污染物的贡献率在畜禽养殖和水产养殖中差异较大,这主要是受到污染物的入水系数和养殖特点的影响。农村养殖畜禽废弃物随意堆放以及未经处理的排放成了水体污染,并且多种微生物寄存在畜禽养殖废水中,会导致地表水富营养化以及浊度增加[21]。畜禽养殖对含氮(类蛋白质氨基酸等)饲料需求更高,而由于磷与浮游生物群落密切相关,水产养殖对磷类物质需求较高。

3.3 模拟结果与估算结果对比

3.3.1 径流量分析

根据气象数据可以得到鲇鱼山水库流域的产汇流和面源污染物负荷入水过程,图9为SWAT模拟与实测径流量的对比情况。从图9可以看出,SWAT模拟的径流过程与实测的径流过程存在一定差异。其原因主要是2018年是鲇鱼山水库的枯水年,其径流年内分布与多年径流过程不一致,4—6月径流量大,7月、9—12月径流量极少,使得模拟径流量与实测径流量偏差较大。

图9 鲇鱼山水库流域SWAT模拟与实测径流量对比图

3.3.2 面源污染物负荷对比

鲇鱼山水库流域SWAT模拟氮类面源污染物负荷为201.76 t/年,磷类污染物负荷为30.38 t/年;实测氮类面源污染物负荷为178.72 t/年,磷类面源污染物负荷为30.38 t/年。SWAT模拟结果与监测结果的对比见表5。两者对比,氮类面源污染物负荷模拟具有一定差异,而磷类面源污染物负荷模拟则具有较好的一致性。

表5 鲇鱼山水库流域SWAT模拟结果与监测结果对比

SWAT模拟负荷与实测负荷的比较如图10所示。由于径流量的差异,使得模拟污染物负荷与实测污染物负荷也呈现差异。另外模拟污染物负荷仅有面源污染负荷(模型中未添加点源污染),但实测污染物负荷则包含面源和点线源污染,使得实际污染负荷量大于模拟污染负荷量。同时期实测氮类污染物负荷量却小于模拟负荷量,说明模型中农耕期间污染物土地氮肥施用程度被高估了,这得益于鲇鱼山水库流域开展的生态农林工程,使得实际情况下流域耕地作物氮肥施用量较低。在10月中实测径流量显著小于模拟径流量,但实测磷类污染物负荷却远远大于模拟负荷。

图10 鲇鱼山水库流域SWAT模拟负荷与实测负荷对比图

4 讨论

通过构建鲇鱼山水库流域SWAT模型发现,降雨径流主要是通过控制冲刷和入水量来影响面源污染负荷量。在径流作用下,氮类面源污染负荷与磷类面源污染负荷存在相关性:前者约为后者的5倍。流域汛期约出现在5—9月,故在SWAT中面源污染负荷集中在5—9月发生。2018年受7月、9—12月的干旱影响,径流量降低,面源污染物负荷出现下降,但监测发现水体中的污染物浓度却在上升。SWAT模拟鲇鱼山水库流域氮类面源污染物和磷类面源污染物的年负荷量与实际监测数据具有良好的一致性,存在一定的误差主要是因为流域内大型水库具有调蓄作用,SWAT将鲇鱼山水库坝址出口断面作为水体流出倾泻口,但未考虑有相当一部分水体在库内长期滞留,且忽视了滞留中静止水体的生物降解作用。

面源污染负荷空间分布呈现东低西高的特点,因为流域东侧森林植被覆盖可以有效抑制土壤侵蚀,具有减少水土流失、吸附污染物的作用,可以有效降低面源污染负荷。年内负荷输出重心具有从北向南转移再回到北的趋势。因为秋冬季农林生产活动几乎停止,城乡居民生活污染负荷集中在北部水库和干支流沿岸。待到次年春季降水增加、农耕生产活动启动的时候,面源污染物会出现入水峰值负荷,污染负荷重心开始往水库南侧丘陵转移。汛期过后,降水减少,污染负荷重心回到北侧水库沿岸:在此期间,长竹园乡居民聚居区、达权店镇聚居区、吴河乡聚居区及其附近子流域在城镇主导面源污染的情形下,面源污染负荷呈现出峰值。

SWAT模拟结果与实测情况有一定出入,主要是缺乏长系列观测资料来率定参数导致的,本研究在提高模型精度、加强面源污染物负荷估算水平、消除点源污染干扰方面还有值得改进的地方。

在相关治理建议方面,畜禽养殖是TP污染的主要来源,对TP污染负荷和入水负荷的贡献率分别为75.15%和49.91%。城乡生活是TN污染的一项重要来源,其污染负荷和入水负荷的贡献率分别为21.44%和25.08%。水产养殖是TP的第二大污染来源,由于水产养殖存在污染物直接接触水体的特性,使得其对TP污染负荷的贡献率仅为13.35%的情况下其入水负荷迅速增加到了35.93%。水产养殖污染有两种体现形式:一是河边与水库岸边的线源污染,二是因星罗棋布的鱼塘而表现为面源污染。由于这类污染不受汛期和非汛期的影响,使面源污染的核算与估算值出现偏差。若去掉水产面源污染,则估算与核算结果具有良好的一致性。沿岸散户的水产养殖污染物未经处理直接从养殖区域进入流域,即使养殖水域生态系统有一定的自我净化功能,但水产养殖的TN污染贡献率仍然显著,故应增强水产养殖污水净化排放技术的发展与应用。虽然畜禽养殖污染物产量大,但得益于当地日益有力的环保措施、养殖场合理选址和养殖排泄物加工利用技术,TN污染物入水负荷大大降低,仅有污染负荷的一半左右;但畜禽养殖的TP污染物产量与入水负荷较大,需要推广集中处理和粪尿加工二次利用的技术。

5 结论

1)SWAT用于具有大型水库的小流域内是可行的,也具有较好的模拟精度。对模拟精度产生影响的主要有降雨径流变化、水库内水产养殖规模、零星居民区分布与人工经济林混合。模型中径流量和农林生产对面源污染物负荷有重要影响。

2)鲇鱼山水库流域面源污染空间分布呈现3种情势:其一是沿岸城镇和水产主导面源污染负荷的情况,特点是该情况集中在枯水期,受来流量影响;其二是水库沿线农业主导污染负荷的情况,特点是污染负荷集中在流域西侧沿岸的耕地和林地中;其三是上游农林主导污染负荷的情况,特点是上游农林业污染负荷大于下游沿岸城镇区域。

3)流域东侧多为天然森林,上游流域隶属于黄柏山国家森林公园,污染物负荷量较低;西侧为人工种植林,主要是果园和茶园,耕地和居住地散落其中,相较于东侧有较大的污染负荷,尤其是汛期和农林采摘时节。

4)针对畜禽和水产养殖带来的面源污染,推荐改进畜禽养殖粪尿集中处理加工技术和水产集中养殖箱污水过滤系统。